医用直线加速器机房迷路改进设计研究

王武，李旭浩，金献测

1.温州医科大学附属第一医院医学工程处，浙江温州325000；2.温州医科大学附属第一医院放化疗科，浙江温州325000

前言

癌症是全球主要公共卫生问题之一，约占全部死亡人口的四分之一［1-2］。随着肿瘤发病率的上升和人们对个人健康的重视，放射治疗被越来越多人熟知，它是一种利用电离辐射对肿瘤区域发射高能射线杀死癌细胞，并尽量避免伤害正常细胞的疗法［3-4］。高能射线具有较强的穿透能力，在放射治疗中占重要地位［5-6］，因此，对治疗机房的剂量控制和设计需要严格要求。机房中的迷路设计不仅影响迷路外墙剂量，同时也要考虑到机房设计成本。很多研究报告表明，延长迷路和设置弯折能够降低迷路内的剂量［7-10］。本研究的目的是对原有的加速器迷路进行改造，使到达门口的剂量降低至合理剂量范围内。

1 材料与方法

1.1 医用直线加速器

Elekta Synergy 医用直线加速器，其主要性能指标：10 MV X 射线，X 射线泄漏辐射率0.1%，在等中心处的最大辐射野40 cm×40 cm。

1.2 加速器机房

撤除屏蔽门，对机房迷路进行改进设计。加速器机房位于地下一层，机房平面示意图见图1，其墙体为普通混凝土。直线加速器治疗中心为机房的正中心。

图1 典型机房平面示意图（mm）Fig.1 Plan of a typical linear accelerator treatment room(mm)

1.3 迷路出口辐射剂量计算方法

根据NCRP151 报告［11］，迷路门口处的泄漏和散射辐射总和（HTot）由以下几部分组成：①主束通过主屏蔽墙主墙a 散射到防护门处的当量剂量Hs；②直线加速器机头泄漏辐射一次散射的当量剂量Hls；③主束通过患者体表散射产生的当量剂量Hps；④射线直接穿过迷路内墙d的泄漏辐射当量剂量HLT：

其中，f的值为0.34。

1.4 迷路改进方案和门口辐射剂量计算

1.4.1 直接延长迷路 如图2所示，直接延长迷路可用以下公式计算得出。

（1）计算主射线通过主屏蔽墙主墙a 后，散射至迷路外墙e，最后到达门口处的当量剂量Hs：

其中，A0为散射面积，A0=2.62 m2；a0为A0的散射系数，a0=0.002 1（10 MV，反射角75°）；AZ为迷路内口投影到迷路外墙的横截面面积，AZ=7.67 m2；aZ为AZ的反射系数，aZ=0.08（0.5 MV，反射角75°）；dh为放射源至A0的垂直距离，dh=4.55 m；dr为A0中心沿主束散射方向经过迷路内墙边缘到迷路中线的距离，dr=6.25 m；dz为迷路到测量点的距离，dz=（x-3.53）m；医院每周工作5天，每天有100名患者，每个患者平均接受2 Gy的剂量，故工作量W=5×100×2=1 000 Gy/week；UG为利用因子，根据考察区域被有用射线照射的情况进行取值，一般取1/4。

图2 直接延长迷路方案设计和计算参数（mm）Fig.2 Design of a maze with a direct extension and calculation parameters(mm)

（2）加速器机头漏射至墙a 的副墙，散射到达门口处的当量剂量Hls：

其中，Lf为机头泄漏辐射率，一般取0.1%；WL为漏射区的工作量；a1为机头泄漏辐射至A1的反散射系数，a1=0.003 8（10 MV，反射角0°）；A1为迷路入口可见面积，A1=9.72 m2；dls为放射源至A1中心点的距离,dls=8.52 m；dzz为A1中心点至测量点的距离。

（3）主束通过患者体表，散射至墙a副墙，最后到达门口处的当量剂量Hps：

其中，a(θ)为θ 角时的散射比例，a(θ)=0.001 35（10 MV，反射角45°）；a1为机头泄漏辐射至A1的反散射系数，a1=0.22（0.5 MV，反射角45°）；A1为迷路入口可见面积，A1=6.57 m2；F 是患者中点处的野面积，为1 600 cm2；dsca为源到散射计算点距离，dsca=1 m；dsec为散射点到A1的距离，dsec=7.87 m。

（4）射线直接穿过迷路内墙d的泄漏辐射当量剂量HLT。

根据迷路内墙c 外关心位置（垂直墙面外30 cm处）算出辐射量，它由散射和漏射两部分组成。

①考虑散射所需要的主防护因子Bp：

其中，p 为防护的目标比例，dsec为散射点到测量点的距离，dsca为源到散射计算点距离，其中dsec=3.8+1.4+1+0.3=5.5 m，dsca=1 m，F=（40×40）cm2，a 为被散射的比例，a=0.000 381（10 MV，散射角90°），T =1/4。所需要的防护墙厚度S，通过计算S=n∙TLV,其中TVL为十分之一值层，代表当特定辐射能量或能谱的X射线辐射、γ射线辐射窄束通过规定物质时，比释动能率、照射量率或吸收剂量率减小到无该物质时所测量值的十分之一的规定物质的厚度［11］。n=log(1/B)，其中B为透射因子，故得S=50.38 cm。

②从漏射线考虑的防护因子Bl：

所需要的防护材料厚度S=TLV1+(n-1)·TLVe。其中TLV1 是第一个十分之一值层厚度，TLVe 是每一个额外十分之一值层厚度。故S=85.10 cm。

结果Bp=0.001 59，Bl=0.002 42。

由于二者相差大于一个十分之一值层厚度，则取较大数值为次级屏蔽厚度［8］。故至少需要迷路内墙c 厚度85.10 cm，但实际厚度为140 cm，所以不用考虑漏射和散射线，直接从迷路内墙穿过到达门口。

故当直接延长迷路达到24.4 m 时，射线到达门口的辐射剂量为20.00µSv/week。

1.4.2 90°角拐弯延长迷路 如图3所示，进行90°角拐弯延长迷路设计，其门口散射计算过程如下所示。

图3 90°角转弯迷路设计方案（mm）Fig.3 Design of a maze with a 90°bend(mm)

（1）计算主射线通过主屏蔽墙主墙a 后，散射至迷路外墙e，再经过延长迷路的f墙反射，最后到达门口处的当量剂量Hs：

其中，a0=0.002 1（10 MV，反射角75°），aZ=a3=0.08（0.5 MV，反射角75°），A0=3.31 m2，AZ=4.11 m2，A3=9.80 m2，dh=4.55 m，dr=6.26 m，dz=9.95 m，d4=（x-3.63）m。

（2）加速器机头漏射至墙a 副墙，再经过拐弯处的f墙散射到达门口处的当量剂量Hls：

其中，Lf=0.001，a1=0.005 1（10 MV，反射角0°），WL是漏射区的工作量，a2=0.015（0.5 MV，反射角45°），A1=A2=9.42 m2，dls=8.52 m，dzz=12.25 m，d3=（x-3.49）m。

（3）主束通过患者体表，散射至墙a副墙，再经过拐弯处的g墙散射，最后到达门口处的当量剂量Hps：

其中，a(θ)=0.001 35（10 MV，反射角45°），F=1 600 m2，a1=a2=0.22（0.5 MV，反射角45°），A1=A2=9.42 m2，dsca=1 m，dsec=7.87 m，dzz=12.25 m，d4=（x-3.49）m。

故当90°拐弯延长迷路4.42 m时，射线到达门口的辐射剂量为19.60µSv/week。

1.4.3 180°角拐弯延长迷路 如图4所示，进行180°角拐弯延长迷路方案，其门中散射剂量计算如下所示。

图4 180°拐弯延长迷路方案（mm）Fig.4 Design of a maze with a 180°bend(mm)

（1）计算主射线通过主屏蔽墙主墙a 后，散射至迷路外墙e，再经过拐弯处c副墙的反射，最后到达门口处的当量剂量Hs：

其中，a0=0.002 1（10 MV，反射角75°），az=a3=0.08（0.5 MV，反射角75°），A0=3.31 m2，Az=4.11 m2, A3=8 m2，dh=4.55 m，dr=6.26 m，dz=7.57 m，d4=（x-1.4）m。

（2）加速器机头漏射至墙a 副墙，再经过拐弯处的c副墙散射到达门口处的当量剂量Hls：

其中，Lf=0.001，a1=0.003 8（10 MV，反射角0°），a2=0.015（0.5 MV，反射角45°），A1=10.54 m2，A2=9.78 m2，dls=8.52 m，dzz=9.7 m，d3=（x-1.4）m。

（3）主束通过患者体表，散射至墙a副墙，再经过拐弯处的c 副墙散射，最后到达门口处的当量剂量Hps：

其中，a(θ)=0.001 35（10 MV，反射角45°），F=1 600 m2，a1=a2=0.22（0.5 MV，反射角45°），A1=10.54 m2，A2=9.78 m2，dsca=1 m，dsec=7.87 m，dzz=9.7 m，d4=（x-1.4）m。

故当180°拐弯延长迷路2.7 m时，射线到达门口的辐射剂量为18.53µSv/week。

按照计算所得迷路延长距离从短到长依次是180°拐弯迷路、90°拐弯迷路、直接延长迷路。

2 造价估算

2.1 不延长，安装铅门

按上述方法算出到达门口辐射的剂量为202.35µSv/week，周剂量限值为20µSv/week，透射因子B：

所需铅的厚度XL：

5 mm铅当量的4 m2铅门市场价为20 000元。

2.2 直接延长迷路

迷路比之前增加了14.7 m，延长的两侧墙体和顶，因为处于地下室，且位于延长迷路段，原来顶部厚度足够。墙需要混凝土的厚度XC=TVL·log(1/B)=11.9 cm，安全起见，延长迷路的墙体都按照50 cm 来计算。所需要的体积V（m3）：

浙江省2017年第一季度32.5强度等级混凝土价格1 m3单价为375 元，人工费208 元/d，故总费用=58.8×375+208=22 258元。

2.3 90°角拐弯延长迷路

迷路比之前增加了4.42 m，延长的一侧墙体，因为处于地下室，且位于延长迷路段，原来顶部厚度足够。所需要的体积V（m3）：

浙江省2017年第一季度32.5强度等级混凝土价格1 m3单价为375 元，人工费208 元/d。故总费用=15.04×375+208=5 848元。

2.4 180°角拐弯延长迷路

迷路比之前增加了2.7 m，延长的一侧墙体，因为处于地下室，且位于延长迷路段，原来顶部厚度足够。所需要的体积V（m3）：

浙江省2017年第一季度32.5强度等级混凝土价格1 m3单价为375 元，人工费208 元/d。故总费用=11.6×375+208=4 558元。

故90°角拐弯延长迷路和180°角拐弯延长迷路相对于传统安装铅门有价格优势。

3 结论与讨论

加速器机房迷路按直接延长、90°角拐弯延长、180°角拐弯延长3种方法，分别延长24.4、4.42、2.7 m后，射线到达门口的辐射剂量符合剂量控制水平。该医用直线加速器机房的迷路使用180°角拐弯延长法可最大程度降低有效剂量，并获得较高的性价比。

当今社会随着肿瘤发病率的逐年提高，放疗在肿瘤治疗中的应用越来越多，它给人们带来巨大利益的同时也存在潜在的危害，做好放射防护变得十分重要［12-13］。辐射防护的基本任务是在保护环境，保障从事辐射的工作人员，以及他们后代安全和健康的前提下，进行有必要的辐射照射工作［14-15］。

本设计基于Z型迷路机房进行改造，目前一般认为在屏蔽辐射方面的作用Z型迷路优于L型迷路［16-17］。对于不同方向改变迷路设计计算方法基本一致，主要差异在于散射线和漏射线经过屏蔽墙的碰撞次数和角度，在医用直线加速器能量确定的基础上，迷路门口的辐射剂量和迷路的走向、长度、宽度和内墙厚度等因素相关［18-19］。这次设计主要考虑迷路的长度和走向的变化，来改变门口辐射的水平。

在屏蔽材料的选择上，一般优先选择混凝土，若机房空间有限时，则可采用主屏蔽墙体加铅材料，将混凝土与铅混合使用。改建机房时，铅材料既能很好地满足屏蔽要求又能节约空间，但成本会相对偏高，总体符合辐射防护最优化原则［20-22］。

在本研究的设计改进方案中未考虑中子等因素，只适用于X 线≤10 MV 的加速器，只考虑漏射和散射的总和HTot，来计算门口所需屏蔽材料的厚度或者计算延长迷路使门口辐射剂量达到规定剂量范围内所需的长度。预算价格不精确，实际会略有差异。